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JP4784922B2 - Group III nitride crystal production method - Google Patents

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JP4784922B2
JP4784922B2 JP2004361644A JP2004361644A JP4784922B2 JP 4784922 B2 JP4784922 B2 JP 4784922B2 JP 2004361644 A JP2004361644 A JP 2004361644A JP 2004361644 A JP2004361644 A JP 2004361644A JP 4784922 B2 JP4784922 B2 JP 4784922B2
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gan
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iii nitride
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正二 皿山
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Ricoh Co Ltd
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Description

本発明は、アルカリ金属と窒素を用いる反応系で成長したIII族窒化物結晶についてのIII族窒化物結晶製造方法に関する。 The present invention relates to a group III nitride crystal production method for a group III nitride crystal grown in a reaction system using an alkali metal and nitrogen.

現在、紫色〜青色〜緑色光源として用いられているInGaAlN系(III族窒化物)デバイスは、主にサファイアあるいはSiC基板上に、MO-CVD法(有機金属化学気相成長法)やMBE法(分子線結晶成長法)等を用いた結晶成長法により製作されている。サファイアやSiCを基板として用いた場合、III族窒化物との熱膨張係数差や格子定数差が大きいことに起因する結晶欠陥が多くなるなどの問題点があることが挙げられる。   Currently, InGaAlN-based (Group III nitride) devices used as purple-blue-green light sources are mainly used for MO-CVD (metal organic chemical vapor deposition) and MBE (on sapphire or SiC substrates). It is manufactured by a crystal growth method using a molecular beam crystal growth method) or the like. When sapphire or SiC is used as a substrate, there are problems such as an increase in crystal defects due to a large difference in thermal expansion coefficient and lattice constant from Group III nitride.

このためにデバイス特性が悪い、例えば発光デバイスの寿命を長くすることが困難であったり、動作電力が大きくなったりするという欠点を有している。
更に、基板としてサファイア基板を用いた場合には、この基板が絶縁性であるために、従来の発光デバイスのように基板側からの電極取り出しが不可能であり、結晶成長した窒化物半導体表面側からの電極取り出しが必要となる。その結果、デバイス面積が大きくなり、高コストにつながるという問題点がある。
For this reason, it has the fault that device characteristics are bad, for example, it is difficult to lengthen the lifetime of a light emitting device, or operating power becomes large.
Furthermore, when a sapphire substrate is used as the substrate, since this substrate is insulative, it is impossible to take out an electrode from the substrate side as in a conventional light emitting device, and the surface of the nitride semiconductor surface on which the crystal has grown is impossible. It is necessary to take out the electrode from. As a result, there is a problem that the device area becomes large, leading to high costs.

また、サファイア基板上に作製したIII族窒化物半導体デバイスは劈開による、チップ分離が困難であり、レーザダイオード(LD)で必要とされる共振器端面を劈開で得ることが容易ではない。このため、現在はドライエッチングによる共振器端面形成や、あるいはサファイア基板を100μm以下の厚さまで研磨した後に、劈開に近い形での共振器端面形成を行っている。この場合にも従来のLDのような共振器端面とチップ分離を単一工程で、容易に行うことが不可能であり、工程の複雑化ひいてはコスト高につながる。   Further, the group III nitride semiconductor device fabricated on the sapphire substrate is difficult to separate the chip by cleavage, and it is not easy to obtain the resonator end face required for the laser diode (LD) by cleavage. For this reason, at present, resonator end faces are formed by dry etching, or after forming a sapphire substrate to a thickness of 100 μm or less, resonator end faces are formed in a form close to cleavage. In this case as well, it is impossible to easily separate the resonator end face and the chip as in the conventional LD in a single process, resulting in process complexity and cost.

これらの問題を解決するためにGaN基板を用いることが切望されており、HVPE法(ハイドライド気相エピタキシャル成長法)を用いてGaAs基板やサファイア基板上に厚膜を形成し、後からこれら基板を除去する方法が、特許文献1(特開2000−12900号公報)及び特許文献2(特開2003−178984号公報)で提案されている。
またサファイア基板は熱伝導率(42W/m・K)が低いため、大出力用光デバイス、電子デバイスには適していない。GaN結晶の熱伝導率は130W/m・Kであり、こうした点からもGaN基板はサファイア基板に比較して優れている。
In order to solve these problems, it is eager to use GaN substrates. Thick films are formed on GaAs and sapphire substrates using HVPE (hydride vapor phase epitaxy), and these substrates are removed later. Japanese Patent Laid-Open No. 2000-12900 and Patent Document 2 (Japanese Patent Laid-Open No. 2003-178984) propose a method for performing the above.
In addition, the sapphire substrate has low thermal conductivity (42 W / m · K), so it is not suitable for high-power optical devices and electronic devices. The thermal conductivity of GaN crystals is 130 W / m · K, and the GaN substrate is superior to the sapphire substrate in this respect.

しかしながら、一層の高出力化を図るために、より高い熱伝導率の基板材料が望まれている。
非特許文献1(Japanese Journal of Applied Physics, Vol. 41 (2002) Pt. 2, No. 12B, pp. L1434-1436)には、次のような工夫により、より高い熱伝導を実現している。
However, in order to achieve higher output, a substrate material with higher thermal conductivity is desired.
Non-Patent Document 1 (Japanese Journal of Applied Physics, Vol. 41 (2002) Pt. 2, No. 12B, pp. L1434-1436) realizes higher heat conduction by the following measures. .

1. 先ず、サファイア基板上に、GaN層を介してAlGaN系のLED構造を形成し、表面にAu系電極を形成している。
2. その後、Au系電極を介してCuWをLED構造に貼り付けている。
3. この後に、KrFレーザを用いたレーザリフトオフ法によりサファイア基板を剥離する。
4. 更にGaN層を研磨により除去する。
5. このGaNを除去したAlGaN系LEDの片面にTi-Al電極を形成する。
1. First, an AlGaN LED structure is formed on a sapphire substrate via a GaN layer, and an Au electrode is formed on the surface.
2. Thereafter, CuW is attached to the LED structure via an Au-based electrode.
3. Thereafter, the sapphire substrate is peeled off by a laser lift-off method using a KrF laser.
4). Further, the GaN layer is removed by polishing.
5. A Ti—Al electrode is formed on one side of the AlGaN-based LED from which the GaN has been removed.

これにより、上下を逆にすることで結果的に、CuW基板の発光ダイオードを実現している(第三の従来技術)。
現在、紫色〜青色〜緑色光源として用いられているInGaAlN系(III族窒化物)デバイスは、主にサファイアあるいはSiC基板上に、MO-CVD法(有機金属化学気相成長法)やMBE法(分子線結晶成長法)等を用いた結晶成長により製作されている。
As a result, by turning upside down, a light emitting diode of a CuW substrate is realized (third prior art).
Currently, InGaAlN-based (Group III nitride) devices used as purple-blue-green light sources are mainly used for MO-CVD (metal organic chemical vapor deposition) and MBE ( It is manufactured by crystal growth using molecular beam crystal growth method.

サファイアやSiCを基板として用いた場合の問題点としては、III族窒化物との熱膨張係数差や格子定数差が大きいことに起因する結晶欠陥が多くなることが挙げられる。このためにデバイス特性が悪い、例えば発光デバイスの寿命を長くすることが困難であったり、動作電力が大きくなったりするという欠点につながっている。   As a problem when sapphire or SiC is used as a substrate, there is an increase in crystal defects caused by a large difference in thermal expansion coefficient and lattice constant from the group III nitride. For this reason, it leads to the fault that device characteristics are bad, for example, it is difficult to extend the lifetime of the light emitting device, or the operating power is increased.

更に、サファイア基板の場合には絶縁性であるために、従来の発光デバイスのように基板側からの電極取り出しが不可能であり、結晶成長した窒化物半導体表面側からの電極取り出しが必要となる。その結果、デバイス面積が大きくなり、高コストにつながるという問題点がある。また、サファイア基板上に作製したIII族窒化物半導体デバイスは劈開による、チップ分離が困難であり、レーザダイオード(LD)で必要とされる共振器端面を劈開で得ることが容易ではない。このため、現在はドライエッチングによる共振器端面形成や、あるいはサファイア基板を100μm以下の厚さまで研磨した後に、劈開に近い形での共振器端面形成を行っている。この場合にも従来のLDのような共振器端面とチップ分離を単一工程で、容易に行うことが不可能であり、工程の複雑化ひいてはコスト高につながる。   Furthermore, in the case of a sapphire substrate, since it is insulative, it is impossible to take out the electrode from the substrate side as in the conventional light emitting device, and it is necessary to take out the electrode from the nitride semiconductor surface side where the crystal has grown. . As a result, there is a problem that the device area becomes large, leading to high costs. Further, the group III nitride semiconductor device fabricated on the sapphire substrate is difficult to separate the chip by cleavage, and it is not easy to obtain the resonator end face required for the laser diode (LD) by cleavage. For this reason, at present, resonator end faces are formed by dry etching, or after forming a sapphire substrate to a thickness of 100 μm or less, resonator end faces are formed in a form close to cleavage. In this case as well, it is impossible to easily separate the resonator end face and the chip as in the conventional LD in a single process, resulting in process complexity and cost.

CuWは熱伝導率が190W/m・Kとサファイア基板やGaN基板に比較して高いことから、より高出力の半導体デバイスに適している。しかし、この第三の従来技術の場合には、1から5の複雑な工程が必要であり、高コスト化につながる。
一方、これまで本発明者らは、アルカリ金属とIII族金属から構成する混合融液と、窒素を含むV族原料を反応させることで、高品質のIII族窒化物結晶を実現するために鋭意努力してきている(たとえば、これに関する発明として、特開2001−058900、特開2001−064097、特開2001−64098、特開2001―102316、特開2001―119103、特開2002―128586、特開2002―128587、特開2002−201100、特開2002−326898、特開2002−338391、特開2003−012400、特開2003−081696、特開2003−160399、特開2003−238296、特開2003−206198、特開2003−212696、米国特許第6592633号明細書において開示したフラックス法と呼ぶ方式である。)。
特開2000−12900号公報 特開2003−178984号公報 Japanese Journal of Applied Physics, Vol. 41 (2002) Pt. 2, No. 12B, pp. L1434-1436
CuW has a higher thermal conductivity of 190 W / m · K compared to sapphire and GaN substrates, making it suitable for higher-power semiconductor devices. However, in the case of the third prior art, 1 to 5 complicated processes are required, leading to an increase in cost.
On the other hand, the present inventors have been eager to realize a high-quality group III nitride crystal by reacting a mixed melt composed of an alkali metal and a group III metal with a group V raw material containing nitrogen. (For example, JP 2001-058900, JP 2001-064097, JP 2001-64098, JP 2001-102316, JP 2001-119103, JP 2002-128586, JP 2002-128587, JP 2002-201100, JP 2002-326898, JP 2002-338391, JP 2003-012400, JP 2003-081696, JP 2003-160399, JP 2003-238296, JP 2003 206198, JP2003-212696, US Pat. No. 65 Is a method called a flux method disclosed in 2633 Pat.).
Japanese Patent Laid-Open No. 2000-12900 JP 2003-178984 A Japanese Journal of Applied Physics, Vol. 41 (2002) Pt. 2, No. 12B, pp. L1434-1436

本発明の目的は、これまでに発明してきているフラックス法を更に発展させて、第一の従来技術、第二の従来技術より高品質で且つ一層放熱を良くする(熱導電率を高くする)ことを目的としている。更に、第三の従来技術で問題となる高コスト化につながらない、低コスト且つ高熱伝導率のIII族窒化物結晶製造方法を実現することである。 The object of the present invention is to further develop the flux method that has been invented so far, and to improve the heat dissipation with higher quality than the first conventional technology and the second conventional technology (to increase the thermal conductivity). The purpose is that. Furthermore, it is to realize a low-cost and high thermal conductivity group III nitride crystal manufacturing method that does not lead to an increase in cost, which is a problem in the third prior art.

具体的には、請求項1の目的は、低コスト、高品質且つ高熱伝導率のIII族窒化物結晶を実現することである Specifically, an object of claim 1 is to realize a group III nitride crystal of low cost, high quality and high thermal conductivity .

本発明は、上記したような目的を達成するためになされたものであって、具体的には、請求項1では、反応容器内で、フラックスと少なくともIII族金属を含む混合融液と少なくとも窒素を含む物質とからIII族金属と窒素とを反応させて構成されるIII族窒化物を結晶成長させるIII族窒化物結晶製造方法において、表面の材質がIII族窒化物により構成される基板を前記混合融液内に設置する工程と、前記反応容器内に前記少なくとも窒素を含む物質を供給するとともにIII族窒化物が結晶成長しない条件で前記基板に結晶欠陥に起因した凹部を形成する工程と、前記凹部にIII族金属またはフラックスの少なくとも一方の融液を充填する工程と、前記凹部を覆ってIII族窒化物を結晶成長させる工程とを含むこと特徴とする。 The present invention has been made to achieve the above-described object. Specifically, in claim 1, in the reaction vessel, a mixed melt containing at least a group III metal and a flux and at least nitrogen are contained in the reaction vessel. In the Group III nitride crystal manufacturing method, wherein a Group III nitride crystal is grown by reacting a Group III metal and nitrogen from a substance containing a substrate, the substrate is made of the Group III nitride surface material. A step of installing in a mixed melt, a step of supplying a substance containing at least nitrogen into the reaction vessel and forming a recess due to a crystal defect in the substrate under a condition that a group III nitride does not grow crystal; The step includes filling the recess with a melt of at least one of a group III metal or a flux and growing a group III nitride crystal over the recess.

請求項1では、反応容器内で、フラックスと少なくともIII族金属を含む混合融液と少なくとも窒素を含む物質とからIII族金属と窒素とを反応させて構成されるIII族窒化物を結晶成長させるIII族窒化物結晶製造方法において、表面の材質がIII族窒化物により構成される基板を前記混合融液内に設置する工程と、前記反応容器内に前記少なくとも窒素を含む物質を供給するとともにIII族窒化物が結晶成長しない条件で前記基板に結晶欠陥に起因した凹部を形成する工程と、前記凹部にIII族金属またはフラックスの少なくとも一方の融液を充填する工程と、前記凹部を覆ってIII族窒化物を結晶成長させる工程とを含むこと特徴とするIII族窒化物結晶製造方法であることから、低コストで高品質且つ高熱伝導率であるIII族窒化物結晶の成長方法を実現することが出来る。
即ち、フラックス法で結晶成長する場合に、III族窒化物結晶の中に、高熱伝導率のIII族金属あるいはフラックスあるいはIII族金属とフラックスの混合融液が充填していることから、III族窒化物結晶中の結晶欠陥がこの凹部にて終端し、且つ結晶欠陥が熱伝導率の高いIII族窒化物結晶を実現することが可能となる。この結果、更に、第三の従来技術で述べたような複雑な工程が必要でなく、低コスト化につながる。
In claim 1, a group III nitride constituted by reacting a group III metal and nitrogen from a flux, a mixed melt containing at least a group III metal, and a substance containing at least nitrogen is grown in a reaction vessel. In the Group III nitride crystal manufacturing method, a step of placing a substrate whose surface material is made of Group III nitride in the mixed melt, supplying the substance containing at least nitrogen into the reaction vessel, and III Forming a recess due to crystal defects on the substrate under a condition in which the group nitride does not grow , filling the recess with at least one melt of a group III metal or flux, and covering the recess with III A group III nitride crystal manufacturing method characterized by including a step of growing a group nitride crystal, thereby realizing a high quality and high thermal conductivity group III nitride crystal growth method at a low cost. Rukoto can be.
In other words, when a crystal is grown by the flux method, a group III nitride crystal is filled with a high thermal conductivity group III metal or flux or a mixed melt of group III metal and flux. It is possible to realize a group III nitride crystal in which a crystal defect in the product crystal terminates in this recess and the crystal defect has a high thermal conductivity. As a result, a complicated process as described in the third prior art is not necessary, leading to cost reduction.

請求項1の発明は、反応容器内で、フラックスと少なくともIII族金属を含む物質とが混合融液を形成し、該混合融液と少なくとも窒素を含む物質とから、III族金属と窒素とから構成されるIII族窒化物を結晶成長させるIII族窒化物結晶成長方法(以下フラックス法と呼ぶ)において、III族窒化物を結晶成長させる界面に、III族金属あるいはフラックスあるいはIII族金属とフラックスの混合融液を充填することを特徴とするIII族窒化物結晶成長方法である。
本発明で言うフラックスとは、III族金属と窒素のみからIII族窒化物が形成する通常の反応温度、圧力よりも、低温、低圧で形成させることが可能な物質を指す。すなわちこのフラックスとしては、III族窒化物以外に、Li, Na, K等のアルカリ金属やアルカリ土類金属、あるいはそれらの混合物を使用可能である。
According to the first aspect of the present invention, in the reaction vessel, the flux and the substance containing at least a group III metal form a mixed melt, and from the mixed melt and the substance containing at least nitrogen, the group III metal and nitrogen are used. In a group III nitride crystal growth method (hereinafter referred to as a flux method) for growing a group III nitride crystal, a group III metal or a flux or a group III metal and a flux It is a group III nitride crystal growth method characterized by filling a mixed melt.
The flux referred to in the present invention refers to a substance that can be formed at a lower temperature and a lower pressure than a normal reaction temperature and pressure in which a group III nitride is formed only from a group III metal and nitrogen. That is, as the flux, in addition to the group III nitride, an alkali metal such as Li, Na, K, an alkaline earth metal, or a mixture thereof can be used.

窒素を含む物質としては、窒素ガスや、アジ化化合物(たとえばアジ化ナトリウム、アジ化カリウムその他のアジ化化合物およびこれらの任意の混合物)、アンモニアなどの窒素を構成元素に含む化合物である。III族金属(III族化合物)としてはB, Ga, Al, In等が適応可能である。ここで硼素(B)は金属ではないが、III族窒化物としてBNを構成するIII族物質として、本発明においてはIII族金属という表現には、金属以外のIII族化合物をIII族金属ということがある。   Examples of the substance containing nitrogen include nitrogen gas, azide compounds (for example, sodium azide, potassium azide and other azide compounds and any mixture thereof), and compounds containing nitrogen as a constituent element such as ammonia. B, Ga, Al, In, etc. are applicable as the group III metal (group III compound). Here, boron (B) is not a metal, but as a group III material constituting BN as a group III nitride, in the present invention, the expression group III metal means that a group III compound other than a metal is a group III metal. There is.

また本発明で用いられる混合融液は、最初からフラックスと少なくともIII族金属を含む物質として準備されていても、あるいは結晶成長の過程でフラックスと少なくもIII族金属を含む物質を形成しても何れでも良い。
ここで言う界面とは、フラックス法によりIII族窒化物を結晶成長させるための基板と、フラックス法により成長させる結晶との境界領域、フラックス法でIII族窒化物を結晶成長させる場合の途中領域の何れでも適応可能である。即ち、フラックス法で結晶成長する場合に、III族窒化物結晶の中に、III族金属あるいはフラックスあるいはIII族金属とフラックスの混合融液が充填している。
Further, the mixed melt used in the present invention may be prepared as a substance containing a flux and at least a group III metal from the beginning, or may form a substance containing a flux and at least a group III metal in the process of crystal growth. Either is fine.
The interface mentioned here is a boundary region between a substrate for growing a group III nitride crystal by the flux method and a crystal grown by the flux method, and an intermediate region when the group III nitride crystal is grown by the flux method. Either can be applied. That is, when a crystal is grown by the flux method, a group III metal crystal or a flux or a mixed melt of a group III metal and a flux is filled in a group III nitride crystal.

本発明を、さらに、以下の実施例により詳細に説明するが、これら実施例は、本発明の本の一部にすぎず、本発明は、これら実施例を含んだ技術的思想である。   The present invention will be further described in detail with reference to the following examples. However, these examples are only part of the present invention, and the present invention is a technical idea including these examples.

[実施例1]
図1〜図3を用いて実施例1を説明する。この実施例1は、請求項に関するものである。図1はフラックス法によるIII族窒化物結晶成長装置の断面図である。図2は凹凸形状を有する基板である。図3は図2の基板上に、図1の装置を用いて成長させたIII族窒化物結晶の断面図である。
[Example 1]
A first embodiment will be described with reference to FIGS. The first embodiment relates to claim 1 . FIG. 1 is a cross-sectional view of a group III nitride crystal growth apparatus using a flux method. FIG. 2 shows a substrate having an uneven shape. 3 is a cross-sectional view of a group III nitride crystal grown on the substrate of FIG. 2 using the apparatus of FIG.

第一の反応容器101の内側に第二の反応容器113があり、その間(第一の反応容器101の内側で、第二の反応容器113の外側)にIII族窒化物が結晶成長可能な温度に制御できるように加熱装置106が具備されている。第二の反応容器113の内側には、混合融液保持容器102が設置されている。混合融液保持容器102内には、少なくともIII族金属を含む物質としてのGaとアルカリ金属としてのNaから構成される混合融液103がある。混合融液保持容器102の上には蓋109がある。この混合融液保持容器102と蓋109の間には、気体が出入可能な程度の僅かな隙間がある。
この混合融液保持容器102の温度を検知する熱電対112が、第二の反応容器113内に設置されている。この熱電対112は加熱装置106に、温度のフィードバック制御が可能なように接続されている。
There is a second reaction vessel 113 inside the first reaction vessel 101, and a temperature at which the group III nitride can grow crystals between them (inside the first reaction vessel 101 and outside the second reaction vessel 113). A heating device 106 is provided so that it can be controlled. Inside the second reaction vessel 113, a mixed melt holding vessel 102 is installed. In the mixed melt holding container 102, there is a mixed melt 103 composed of Ga as a substance containing at least a group III metal and Na as an alkali metal. There is a lid 109 on the mixed melt holding container 102. There is a slight gap between the mixed melt holding container 102 and the lid 109 so that gas can enter and exit.
A thermocouple 112 for detecting the temperature of the mixed melt holding container 102 is installed in the second reaction container 113. The thermocouple 112 is connected to the heating device 106 so that temperature feedback control is possible.

少なくとも窒素を含む物質としては、たとえば窒素ガスを用いる。窒素ガスは、ガス供給管104を通して、第一の反応容器101外に設置している窒素ガス容器107から、第一の反応容器内、及び第二の反応容器内の空間108に供給することが出来る。この窒素ガスの圧力を調整するために、圧力調整弁105が備えられている。反応容器内の窒素ガスの圧力を検知する圧力センサー111を設置している。このとき、第一の反応容器内と第二の反応容器内の、それぞれの圧力はほぼ同じ圧力で、且つ所定の圧力となるように、圧力センサー111は圧力調整弁105にフィードバックがかかるようになっている。   For example, nitrogen gas is used as the substance containing at least nitrogen. Nitrogen gas can be supplied from the nitrogen gas container 107 installed outside the first reaction container 101 to the space 108 in the first reaction container and the second reaction container through the gas supply pipe 104. I can do it. In order to adjust the pressure of the nitrogen gas, a pressure adjusting valve 105 is provided. A pressure sensor 111 for detecting the pressure of nitrogen gas in the reaction vessel is installed. At this time, the pressure sensor 111 is fed back to the pressure adjustment valve 105 so that the respective pressures in the first reaction vessel and the second reaction vessel are substantially the same pressure and become a predetermined pressure. It has become.

一方、図2に示す基板は、III族窒化物の一つであるGaN(窒化ガリウム)基板110である。このGaN基板110には凹部201と凸部202がある。また、GaN基板中には従来技術で述べた結晶欠陥203があり、結晶表面まで貫通している。このGaN基板110は、フラックス法で成長したものでも、あるいはVPEやMO-CVD等の他の手法で成長したものでも、何れでも良い。
この図2のGaN基板110上に、図1のフラックス法によるIII族窒化物結晶成長装置を用いて、GaN結晶を成長させる。図1の反応容器内の窒素圧力を4MPa、混合融液保持容器102の温度を775℃に設定し、混合融液103中のNaとGaの比率を4:6とする。混合融液中にGaN基板110を設置し、この状態でこれら温度、圧力を保持することでGaN基板110(第一のGaN結晶)上にGaN結晶が成長する。
On the other hand, the substrate shown in FIG. 2 is a GaN (gallium nitride) substrate 110 which is one of group III nitrides. The GaN substrate 110 has a concave portion 201 and a convex portion 202. Further, the crystal defect 203 described in the prior art is present in the GaN substrate and penetrates to the crystal surface. The GaN substrate 110 may be grown by a flux method or may be grown by another method such as VPE or MO-CVD.
A GaN crystal is grown on the GaN substrate 110 of FIG. 2 using the group III nitride crystal growth apparatus by the flux method of FIG. The nitrogen pressure in the reaction vessel of FIG. 1 is set to 4 MPa, the temperature of the mixed melt holding vessel 102 is set to 775 ° C., and the ratio of Na to Ga in the mixed melt 103 is set to 4: 6. A GaN crystal is grown on the GaN substrate 110 (first GaN crystal) by placing the GaN substrate 110 in the mixed melt and maintaining the temperature and pressure in this state.

このフラックス法により新たに成長したGaN結晶が、図3の第二のGaN結晶301である。即ち、GaN基板110上に第二のGaN結晶301が成長している。
このとき成長する第二のGaN結晶301は、GaN基板110の垂直方向(図の上方向)よりも基板の面方向(図の横方向)の方が、成長速度が速く成長する。この結果、基板凹部201を残したまま、第二のGaN結晶301を成長させることが可能となる。ここでGaN基板面はC面即ち(0001)面であり、基板面に対する垂直方向は<0001>方向である。
The GaN crystal newly grown by this flux method is the second GaN crystal 301 in FIG. That is, the second GaN crystal 301 is grown on the GaN substrate 110.
The second GaN crystal 301 grown at this time grows faster in the substrate surface direction (lateral direction in the figure) than in the vertical direction (upward direction in the figure) of the GaN substrate 110. As a result, it is possible to grow the second GaN crystal 301 while leaving the substrate recess 201. Here, the GaN substrate surface is the C plane, that is, the (0001) plane, and the direction perpendicular to the substrate surface is the <0001> direction.

このとき、元々基板にあった凹部201には、III族金属原料であるGaとフラックスであるNaの混合融液が充填されている。
また、結晶欠陥203は基板凸部202では、新たに成長したGaN結晶表面まで貫通しているが、基板凹部201では充填された混合融液との界面で終端している。従って、新たにフラックス法で成長したGaN結晶表面では、結晶欠陥密度は低減している。
更に、混合融液が充填していることから、この領域での熱伝導率は高くなり、放熱特性が改善される。
At this time, the recess 201 originally in the substrate is filled with a mixed melt of Ga, which is a Group III metal material, and Na, which is a flux.
Further, the crystal defect 203 penetrates to the surface of the newly grown GaN crystal in the substrate convex portion 202, but terminates at the interface with the filled mixed melt in the substrate concave portion 201. Therefore, the crystal defect density is reduced on the GaN crystal surface newly grown by the flux method.
Further, since the mixed melt is filled, the thermal conductivity in this region is increased, and the heat dissipation characteristics are improved.

このように凹凸形状の基板上に、フラックス法によりGaN結晶を成長させることで、低欠陥密度で且つ高熱伝導率である高品質なGaN結晶を、従来技術で述べた複雑な工程を経ることなく作製することが可能となる。即ち、低コストと高品質の両立が可能となる。   By growing a GaN crystal on the concavo-convex substrate by the flux method, a high-quality GaN crystal having a low defect density and a high thermal conductivity can be obtained without going through the complicated steps described in the prior art. It can be produced. That is, both low cost and high quality can be achieved.

[実施例2]
図4〜6を用いて、実施例2を説明する。この実施例2は、請求項に関するものである。
図4にはGaN基板401の断面を示している。このGaN基板401はMOVPE法やHVPE法等を用いて、厚膜成長したものであるが、特にその製造方法は特定するものではない。このGaN基板401には結晶欠陥402が結晶表面まで貫通している。
図1に示すフラックス法の装置を用いて、このGaN基板401表面に凹部501を形成する。図5にその断面を示す。図1の説明は第一の実施例で述べているので、ここでは割愛する。
先ず、図4のGaN基板401を図1の混合融液内に設置する。図1ではGaN結晶110が図示されているが、このGaN結晶110の代わりに図4のGaN基板401がある。
図1の装置を用いて、混合融液保持容器102の温度、窒素圧力を各々900℃、2MPaに設定する。この状態でGaN基板401を保持することで、図5に示すGaN結晶の凹部501を形成することが出来る。このGaN結晶の凹部501は結晶欠陥402に起因して発生する。
[Example 2]
A second embodiment will be described with reference to FIGS. The second embodiment relates to claim 1 .
FIG. 4 shows a cross section of the GaN substrate 401. The GaN substrate 401 is grown by using a MOVPE method, a HVPE method, or the like, but its manufacturing method is not particularly specified. The GaN substrate 401 has crystal defects 402 penetrating to the crystal surface.
A recess 501 is formed on the surface of the GaN substrate 401 using the apparatus of the flux method shown in FIG. FIG. 5 shows a cross section thereof. Since the description of FIG. 1 is described in the first embodiment, it is omitted here.
First, the GaN substrate 401 shown in FIG. 4 is placed in the mixed melt shown in FIG. Although the GaN crystal 110 is illustrated in FIG. 1, the GaN substrate 401 of FIG.
Using the apparatus of FIG. 1, the temperature of the mixed melt holding container 102 and the nitrogen pressure are set to 900 ° C. and 2 MPa, respectively. By holding the GaN substrate 401 in this state, the recess 501 of the GaN crystal shown in FIG. 5 can be formed. The concave portion 501 of the GaN crystal is generated due to the crystal defect 402.

次に、混合融液保持容器102の温度、窒素圧力を各々775℃、6MPaとする。この状態で図5の凹部を有するGaN結晶を保持することで、その上にGaN結晶が成長する。図6にこのGaN結晶の断面を示す。図5の凹部501を有するGaN基板401上に、新たに成長した第二のGaN結晶601がある。
このとき成長する第二のGaN結晶601は、GaN基板110の垂直方向(図の上方向)よりも基板の面方向(図の横方向)の方が、成長速度が速く成長する。この結果、基板凹部501を残したまま、第二のGaN結晶601を成長させることが可能となる。ここでGaN基板面はC面即ち(0001)面であり、基板面に対する垂直方向は<0001>方向である。
このとき、元々基板にあった凹部501には、III族金属原料であるGaとフラックスであるNaの混合融液602が充填されている。
また、結晶欠陥402は基板凹部501に充填された混合融液602との界面で終端している。従って、新たにフラックス法で成長したGaN結晶表面では、結晶欠陥密度は低減している。
更に、混合融液が充填していることから、この領域での熱伝導率は高くなり、放熱特性が改善される。
Next, the temperature of the mixed melt holding container 102 and the nitrogen pressure are set to 775 ° C. and 6 MPa, respectively. By holding the GaN crystal having the recesses in FIG. 5 in this state, the GaN crystal grows thereon. FIG. 6 shows a cross section of the GaN crystal. On the GaN substrate 401 having the recess 501 of FIG. 5, there is a newly grown second GaN crystal 601.
The second GaN crystal 601 grown at this time grows faster in the surface direction of the substrate (horizontal direction in the figure) than in the vertical direction of the GaN substrate 110 (upward direction in the figure). As a result, it is possible to grow the second GaN crystal 601 while leaving the substrate recess 501. Here, the GaN substrate surface is the C plane, that is, the (0001) plane, and the direction perpendicular to the substrate surface is the <0001> direction.
At this time, the concave portion 501 originally in the substrate is filled with a mixed melt 602 of Ga which is a group III metal raw material and Na which is a flux.
Further, the crystal defect 402 terminates at the interface with the mixed melt 602 filled in the substrate recess 501. Therefore, the crystal defect density is reduced on the GaN crystal surface newly grown by the flux method.
Further, since the mixed melt is filled, the thermal conductivity in this region is increased, and the heat dissipation characteristics are improved.

このように凹凸形状の基板上に、フラックス法によりGaN結晶を成長させることで、低欠陥密度で且つ高熱伝導率である高品質なGaN結晶を、従来技術で述べた複雑な工程を経ることなく作製することが可能となる。即ち、低コストと高品質の両立が可能となる。
また、フラックス法の装置、手法を用いることでGaN結晶に凹凸形状を形成することが可能となり、同一の装置で凹凸形状形成、GaN結晶成長、混合融液充填を実現することが出来、低コスト、高品質化につながる。
By growing a GaN crystal on the concavo-convex substrate by the flux method, a high-quality GaN crystal having a low defect density and a high thermal conductivity can be obtained without going through the complicated steps described in the prior art. It can be produced. That is, both low cost and high quality can be achieved.
In addition, it is possible to form concavo-convex shapes on GaN crystals by using the flux method equipment and method, and it is possible to realize concavo-convex shape formation, GaN crystal growth, and mixed melt filling with the same equipment at low cost. , Leading to higher quality.

[実施例3]
図7を用いて本発明の第三の実施例を説明する。この第三の実施例は請求項に関するものである。
実施例1及び2で述べた図1のフラックス法によるIII族窒化物結晶成長装置を用いて結晶成長を行う。図1の説明は実施例1で述べているので、ここでは割愛する。
図7は本実施例により成長したGaN結晶の断面である。
先ず、図1のフラックス法の装置を用いて、第一のGaN結晶701を成長させる。この第一のGaN結晶701の成長条件は、図1の混合融液保持容器102の温度、窒素圧力を各々775℃、4MPaである。次に、混合融液保持容器102の温度を775℃とそのままで、窒素圧力を8MPaと高くする。こうすることで、第二のGaN結晶702が成長する。このとき、窒素圧力が高くなることで、GaN基板110の垂直方向(図の上方向)よりも基板の面方向(図の横方向)の方が、成長速度が速く成長する。この結果、一部GaN結晶が横方向に成長しない領域として凹部703を形成したまま、第二のGaN結晶702の上に、第三のGaN結晶704が成長することとなる。ここでGaN基板面はC面即ち(0001)面であり、基板面に対する垂直方向は<0001>方向である。
[Example 3]
A third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. This third embodiment relates to claim 1 .
Crystal growth is performed using the group III nitride crystal growth apparatus according to the flux method of FIG. 1 described in the first and second embodiments. Since the description of FIG. 1 is described in the first embodiment, it is omitted here.
FIG. 7 is a cross section of a GaN crystal grown according to this example.
First, the first GaN crystal 701 is grown using the apparatus of the flux method of FIG. The growth conditions of the first GaN crystal 701 are that the temperature of the mixed melt holding container 102 and the nitrogen pressure in FIG. 1 are 775 ° C. and 4 MPa, respectively. Next, the temperature of the mixed melt holding container 102 is kept at 775 ° C., and the nitrogen pressure is increased to 8 MPa. By doing so, the second GaN crystal 702 grows. At this time, as the nitrogen pressure increases, the growth rate is faster in the surface direction of the substrate (lateral direction in the figure) than in the vertical direction (upward direction in the figure) of the GaN substrate 110. As a result, the third GaN crystal 704 grows on the second GaN crystal 702 while the recess 703 is formed as a region where a part of the GaN crystal does not grow in the lateral direction. Here, the GaN substrate surface is the C plane, that is, the (0001) plane, and the direction perpendicular to the substrate surface is the <0001> direction.

ここで、凹部703にはIII族金属原料であるGaとフラックスであるNaの混合融液602が充填されている。この混合融液が充填していることから、この領域での熱伝導率は高くなり、放熱特性が改善される。
また、フラックス法により成長したGaN結晶は、実施例1や実施例2で述べた他の手法により形成したGaN結晶に比較して、結晶欠陥は少ない。その結果、低欠陥密度で且つ高熱伝導率である高品質なGaN結晶を、従来技術で述べた複雑な工程を経ることなく作製することが可能となる。即ち、低コストと高品質の両立が可能となる。
また、フラックス法の装置、手法を用いることでGaN結晶に凹凸形状を形成することが可能となり、同一の装置で凹凸形状形成、GaN結晶成長、混合融液充填を実現することが出来、低コスト、高品質化につながる。
Here, the concave portion 703 is filled with a mixed melt 602 of Ga which is a group III metal raw material and Na which is a flux. Since this mixed melt is filled, the thermal conductivity in this region is increased, and the heat dissipation characteristics are improved.
Further, the GaN crystal grown by the flux method has fewer crystal defects than the GaN crystal formed by the other methods described in the first and second embodiments. As a result, a high-quality GaN crystal having a low defect density and a high thermal conductivity can be produced without going through the complicated steps described in the prior art. That is, both low cost and high quality can be achieved.
In addition, it is possible to form concavo-convex shapes on GaN crystals by using the flux method equipment and method, and it is possible to realize concavo-convex shape formation, GaN crystal growth, and mixed melt filling with the same equipment at low cost. , Leading to higher quality.

[実施例4]
図8を用いて本発明の第四の実施例を説明する図8は本発明のIII族窒化物半導体デバイスの応用例である半導体レーザを斜視図である。
実施例1から3で説明した、結晶欠陥の密度が低く、且つ混合融液が凹部に充填したGaN基板801上に、GaN系薄膜802〜707を結晶成長させる。このとき、GaN基板801の内部には第一、第二及び第三の実施例で述べた混合融液811が充填されている。
GaN基板801の上に、順次、n型AlGaN層802、n型GaN層803、InGaN MQW(多重量子井戸)層804、p型GaN層805、p型AlGaN層806、p型GaN層807が結晶成長されている。この結晶成長方法としては、MO-VPE(有機金属気相成長)法やMBE(分子線エピタキシー)法等の薄膜結晶成長方法を用いる。
[Example 4]
A fourth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG . FIG. 8 is a perspective view of a semiconductor laser which is an application example of the group III nitride semiconductor device of the present invention.
The GaN-based thin films 802 to 707 are grown on the GaN substrate 801 described in the first to third embodiments, in which the density of crystal defects is low and the mixed melt is filled in the recesses. At this time, the inside of the GaN substrate 801 is filled with the mixed melt 811 described in the first, second and third embodiments.
On the GaN substrate 801, an n-type AlGaN layer 802, an n-type GaN layer 803, an InGaN MQW (multiple quantum well) layer 804, a p-type GaN layer 805, a p-type AlGaN layer 806, and a p-type GaN layer 807 are sequentially crystallized. Has grown. As this crystal growth method, a thin film crystal growth method such as MO-VPE (metal organic chemical vapor deposition) method or MBE (molecular beam epitaxy) method is used.

このGaN系薄膜802〜807はMOVPE法やMBE法等の薄膜成長に適した方式であることから、p型やn型の導電性制御、キャリア濃度制御、GaN, AlN, InNの混晶組成制御が可能であり、デバイス用薄膜を成長することが出来る。
結晶欠陥は前述したように、GaN結晶の凹部の混合融液との界面近傍で終端していることから、デバイス用薄膜802〜807の領域では非常に少ない。
このGaN、AlGaN、InGaNの積層膜にリッジ構造を形成し、SiO2絶縁膜808をコンタクト領域のみ穴開けした状態で形成し、上部及び下部に各々p側オーミック電極Au/Ni 809及びn側オーミック電極Al/Ti 810を形成している。
Since these GaN-based thin films 802 to 807 are suitable for thin film growth such as MOVPE and MBE, p-type and n-type conductivity control, carrier concentration control, and mixed crystal composition control of GaN, AlN, InN It is possible to grow a thin film for a device.
As described above, since the crystal defect terminates in the vicinity of the interface with the mixed melt of the concave portion of the GaN crystal, it is very small in the region of the device thin film 802 to 807.
A ridge structure is formed in the laminated film of GaN, AlGaN, and InGaN, and an SiO 2 insulating film 808 is formed in a state where only the contact region is opened. Electrode Al / Ti 810 is formed.

この半導体レーザのp側オーミック電極Au/Ni 809及びn側オーミック電極Al/Ti 810から電流を注入することで、レーザ発振し、図の矢印方向にレーザ光が出射される。
この半導体レーザは本発明のGaN結晶を基板として用いているため、半導体レーザデバイス中の結晶欠陥が少なく、且つ混合融液811が基板内部にあるため放熱特性が良い。この結果、大出力動作且つ長寿命のデバイスが実現出来る。
また、GaN基板はn型であることから基板に直接電極を形成することが出来、従来のサファイア基板等の絶縁性基板を用いた場合の、p側とn側の2つの電極を表面からのみ取り出すことが必要なく、低コスト化を図ることが可能となる。更に、光出射端面を劈開で形成することが可能となり、チップの分離と併せて、低コストで高品質なデバイスを実現することが出来る。
By injecting current from the p-side ohmic electrode Au / Ni 809 and the n-side ohmic electrode Al / Ti 810 of this semiconductor laser, laser oscillation occurs and laser light is emitted in the direction of the arrow in the figure.
Since this semiconductor laser uses the GaN crystal of the present invention as a substrate, there are few crystal defects in the semiconductor laser device, and since the mixed melt 811 is inside the substrate, the heat dissipation characteristics are good. As a result, a device with a high output operation and a long life can be realized.
In addition, since the GaN substrate is n-type, electrodes can be formed directly on the substrate. When an insulating substrate such as a conventional sapphire substrate is used, two electrodes on the p-side and n-side are formed only from the surface. There is no need to take out, and the cost can be reduced. Furthermore, the light emitting end face can be formed by cleavage, and in combination with chip separation, a low-cost and high-quality device can be realized.

本実施例ではInGaN MQWを活性層としたが、AlGaN MQWを活性層として、発光波長の短波長化することも可能である。GaN基板の欠陥及び不純物が少ないことで、深い順位からの発光が少なくなり、短波長化しても高効率な発光デバイスが可能となる。
また、本実施例では光デバイスへの応用について述べたが、電子デバイスに応用することも本発明の適応範囲である。即ち、欠陥が少なく且つ放熱特性に優れたGaN基板を用いることで、その上にエピタキシャル成長したGaN系薄膜も結晶欠陥が少なく、その結果リーク電流を抑制出来、量子構造にした場合のキャリア閉じ込め効果を高めた状態で且つ大出力の高性能デバイスが実現可能となる。
In this embodiment, InGaN MQW is used as the active layer, but the emission wavelength can be shortened using AlGaN MQW as the active layer. Since there are few defects and impurities in the GaN substrate, light emission from a deep order is reduced, and a highly efficient light-emitting device is possible even when the wavelength is shortened.
In this embodiment, application to an optical device has been described. However, application to an electronic device is also applicable to the present invention. In other words, by using a GaN substrate with few defects and excellent heat dissipation characteristics, the GaN-based thin film epitaxially grown on the GaN substrate has few crystal defects, and as a result, leakage current can be suppressed, and the carrier confinement effect in the case of a quantum structure can be achieved. A high performance device with high output and high output can be realized.

[実施例5]
図9を用いて本発明の第五の実施例を説明する。図9は本発明のIII族窒化物半導体モジュールの斜視図である。
サブマウント901上にIII族窒化物半導体デバイス903が実装されている。このIII族窒化物半導体デバイス903には、図9で示すサブマウント901の面方向に、混合融液を充填している。
サブマウント901と概ね直交する方向に、ヒートシンク902が設置されている。このヒートシンク902とIII族窒化物半導体デバイス903の端面が接する位置に、各々実装している。
この状態で、III族窒化物半導体デバイス903が動作すると発熱するが、III族窒化物結晶内部の混合融液を通して、ヒートシンクに熱が伝導する。このとき、混合融液の熱伝導率が高いことから、効率的な放熱が可能となる。この結果、半導体デバイスの大出力動作が可能となる。
本実施例で述べたIII族窒化物半導体デバイスは発光ダイオードあるいは半導体レーザ等の光デバイスでも、電界効果トランジスタ等の電子デバイスの何れでも、大出力用半導体デバイスであれば適応可能である。
[Example 5]
A fifth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 9 is a perspective view of the group III nitride semiconductor module of the present invention.
On the submount 901, III-nitride semiconductor device 903 is mounted. The group III nitride semiconductor device 903 is filled with the mixed melt in the surface direction of the submount 901 shown in FIG.
A heat sink 902 is installed in a direction substantially orthogonal to the submount 901. The heat sink 902 and the group III nitride semiconductor device 903 are mounted at positions where they contact each other.
In this state, when the group III nitride semiconductor device 903 operates, heat is generated, but heat is conducted to the heat sink through the mixed melt inside the group III nitride crystal. At this time, since the thermal conductivity of the mixed melt is high, efficient heat dissipation is possible. As a result, a large output operation of the semiconductor device becomes possible.
The group III nitride semiconductor device described in this embodiment can be applied to any optical device such as a light emitting diode or semiconductor laser, or an electronic device such as a field effect transistor, as long as it is a semiconductor device for high output.

実施例1にかかるフラックス法の結晶成長装置を示す図である。1 is a diagram showing a flux growth crystal apparatus according to Example 1. FIG. 実施例1にかかるIII族窒化物結晶の断面図である。1 is a cross-sectional view of a group III nitride crystal according to Example 1. FIG. 実施例1にかかるIII族窒化物結晶の断面図である。1 is a cross-sectional view of a group III nitride crystal according to Example 1. FIG. 実施例2にかかるIII族窒化物結晶の断面図である。3 is a cross-sectional view of a group III nitride crystal according to Example 2. FIG. 実施例2にかかるIII族窒化物結晶の断面図である。3 is a cross-sectional view of a group III nitride crystal according to Example 2. FIG. 実施例2にかかるIII族窒化物結晶の断面図である。3 is a cross-sectional view of a group III nitride crystal according to Example 2. FIG. 実施例3にかかるIII族窒化物結晶の断面図である。6 is a cross-sectional view of a group III nitride crystal according to Example 3. FIG. 実施例4にかかるIII族窒化物半導体デバイスの斜視図である。6 is a perspective view of a group III nitride semiconductor device according to Example 4. FIG. 実施例5にかかるIII族窒化物半導体モジュールの斜視図である。7 is a perspective view of a group III nitride semiconductor module according to Example 5. FIG.

符号の説明Explanation of symbols

101 第一の反応容器
102 混合融液保持容器
103 混合融液
104 ガス供給管
105 窒素圧力調整弁
106 加熱装置
107 窒素ガス容器
108 反応容器内の空間
109 混合融液保持容器の蓋
110 GaN結晶
111 圧力センサー
112 熱電対
113 第二の反応容器
201 GaN基板の凹部
202 GaN基板の凸部
203 結晶欠陥(転位)
301 第二のGaN結晶
401 GaN基板
402 結晶欠陥(転位)
501 GaN結晶の凹部
601 第二のGaN結晶
602 混合融液
701 第一のGaN結晶
702 第二のGaN結晶
703 凹部
704 第三のGaN結晶
801 n型GaN基板
802 n型AlGaNクラッド層
803 n型GaNガイド層
804 InGaN MQW活性層
805 p型GaNガイド層
806 p型AlGaNクラッド層
807 p型GaNコンタクト層
808 SiO2絶縁膜
809 p側オーミック電極
810 n側オーミック電極
811 混合融液
901 サブマウント
902 ヒートシンク
903 III族窒化物半導体デバイス
DESCRIPTION OF SYMBOLS 101 1st reaction container 102 Mixed melt holding container 103 Mixed melt 104 Gas supply pipe 105 Nitrogen pressure regulating valve 106 Heating device 107 Nitrogen gas container 108 Space in reaction container 109 Lid of mixed melt holding container 110 GaN crystal 111 Pressure sensor 112 Thermocouple 113 Second reaction vessel 201 Concave portion of GaN substrate 202 Convex portion of GaN substrate 203 Crystal defect (dislocation)
301 Second GaN crystal 401 GaN substrate 402 Crystal defect (dislocation)
501 Concave part of GaN crystal 601 Second GaN crystal 602 Mixed melt 701 First GaN crystal 702 Second GaN crystal 703 Concave part 704 Third GaN crystal 801 n-type GaN substrate 802 n-type AlGaN clad layer 803 n-type GaN Guide layer 804 InGaN MQW active layer 805 p-type GaN guide layer 806 p-type AlGaN cladding layer 807 p-type GaN contact layer 808 SiO 2 insulating film 809 p-side ohmic electrode 810 n-side ohmic electrode 811 mixed melt 901 submount 902 heat sink 903 Group III nitride semiconductor devices

Claims (1)

反応容器内で、フラックスと少なくともIII族金属を含む混合融液と少なくとも窒素を含む物質とからIII族金属と窒素とを反応させて構成されるIII族窒化物を結晶成長させるIII族窒化物結晶製造方法において、
表面の材質がIII族窒化物により構成される基板を前記混合融液内に設置する工程と、
前記反応容器内に前記少なくとも窒素を含む物質を供給するとともにIII族窒化物が結晶成長しない条件で前記基板に結晶欠陥に起因した凹部を形成する工程と、
前記凹部にIII族金属またはフラックスの少なくとも一方の融液を充填する工程と、
前記凹部を覆ってIII族窒化物を結晶成長させる工程とを含むこと特徴とするIII族窒化物結晶製造方法。
A group III nitride crystal for growing a group III nitride formed by reacting a group III metal and nitrogen from a flux, a mixed melt containing at least a group III metal, and a substance containing at least nitrogen in a reaction vessel In the manufacturing method,
Installing a substrate having a surface material made of group III nitride in the mixed melt;
Supplying the substance containing at least nitrogen into the reaction vessel and forming a recess due to crystal defects on the substrate under the condition that the group III nitride does not grow crystal; and
Filling the recess with a melt of at least one of group III metal or flux;
And a step of growing a group III nitride crystal so as to cover the recess.
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